可變約束和機(jī)械自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的綜合設(shè)計與應(yīng)用研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代生產(chǎn)及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為提高機(jī)械系統(tǒng)的運動學(xué)、動力學(xué)性能與智能化水平，使機(jī)械自身對各種內(nèi)部和外部不確定因素變化具有自調(diào)與自適應(yīng)功能的機(jī)械結(jié)構(gòu)，正日益成為機(jī)構(gòu)學(xué)研究的熱點。
　　機(jī)械自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，是指無需通過測控，僅僅依靠機(jī)械本身可以自動適應(yīng)外部工作條件、對象、工作參數(shù)變化的一種機(jī)械結(jié)構(gòu)，具有這種自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的機(jī)械就稱為了自適應(yīng)機(jī)械。自適應(yīng)機(jī)械一般都具有多自由度、變結(jié)構(gòu)、變自由度的結(jié)構(gòu)特征，且原始驅(qū)動件的數(shù)量都小于機(jī)械的自由度數(shù)

2、量，一般為欠驅(qū)動機(jī)械系統(tǒng)。機(jī)械自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，是一種基于可變約束的機(jī)械結(jié)構(gòu)。是利用可變約束的可施加、可釋放、可調(diào)、可控等結(jié)構(gòu)特征，使機(jī)構(gòu)自身具有自動調(diào)整和適應(yīng)外部變化的功能的。
　　具有自適應(yīng)功能的機(jī)械已在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用。但對其共性的工作機(jī)理及其綜合設(shè)計的理論與方法還缺乏系統(tǒng)的研究，對自適應(yīng)機(jī)械尚缺乏較明確的定義與分類，制約了它的發(fā)展和應(yīng)用創(chuàng)新。正是基于此需要，本論文對可變約束和機(jī)械自適應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較深入，系統(tǒng)的分析與研究

3、。
　　本論文的主要工作有：
　?、僭谠敿?xì)分析機(jī)械中的可動聯(lián)接與約束性質(zhì)的基礎(chǔ)上，基于廣義約束及設(shè)計應(yīng)用的觀點，提出了運動約束和動力約束、內(nèi)部約束和外部約束、基本約束和過約束以及常約束和可變約束的機(jī)械約束分類方法，分析了各類約束的基本性質(zhì)和特征。并首次將機(jī)械中的可變約束分為可變運動約束、可變幾何約束、力封閉約束和動力約束，列出了各種可變約束的特征表達(dá)式，指出了其可變、可調(diào)及可控因素，及可變約束的作用及應(yīng)用范圍。為自適應(yīng)機(jī)械結(jié)

4、構(gòu)的分析與設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。
　?、谠跈C(jī)械自調(diào)結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，通過對已有自適應(yīng)功能的機(jī)械的深入分析，定義了：自適應(yīng)機(jī)械，是指對其外部工作對象、環(huán)境、條件的不確定性和變化，無需通過測控，且不包含專門的控制機(jī)構(gòu)，而是依靠機(jī)械本身的結(jié)構(gòu)自動調(diào)整來實現(xiàn)對變化的自動適應(yīng)，從而可靠地完成預(yù)期工作要求的機(jī)械裝置。深入研究了自適應(yīng)機(jī)械的工作機(jī)理，指出其“自適應(yīng)”，實質(zhì)上就是對機(jī)械的約束和自由度變化的自動適應(yīng)。其自適應(yīng)功能，根本上是基于可變約束結(jié)構(gòu)

5、的力、能特性及其參數(shù)的可變與可調(diào)控性，是通過對自由度的約束和釋放，調(diào)整機(jī)械自身的結(jié)構(gòu)特征來實現(xiàn)的。
　?、厶岢隽税醋赃m應(yīng)機(jī)械的功能結(jié)構(gòu)特征及其自動適應(yīng)的對象來劃分的兩種自適應(yīng)機(jī)械分類方法。重點針對變結(jié)構(gòu)自適應(yīng)機(jī)械、變自由度自適應(yīng)機(jī)械和內(nèi)力封閉自適應(yīng)機(jī)械，闡明了其主要結(jié)構(gòu)特征及自適應(yīng)機(jī)理。并根據(jù)它們的共性特征，較系統(tǒng)地提出了自適應(yīng)機(jī)械綜合的要點，給出了自適應(yīng)機(jī)械綜合設(shè)計的一些基本原則和通用方法。
　?、茚槍?nèi)力封閉自適應(yīng)機(jī)械多

6、方案設(shè)計的需要，系統(tǒng)地完善了一種新的型綜合方法—胚圖支鏈法。以此為基礎(chǔ)，研究并創(chuàng)新了一種基于全回路拓?fù)涮匦跃仃嚨倪\動鏈同構(gòu)辨識法，綜合出了自由度為0或－1的十桿(包括十桿)以下的運動鏈的全部獨立構(gòu)型。深入分析和研究內(nèi)力封閉自適應(yīng)機(jī)械設(shè)計的內(nèi)容、方法和原則，提出了其方案設(shè)計及功能結(jié)構(gòu)設(shè)計的程序以及一般原則和方法。并通過實例詳細(xì)論述了其結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計的過程與方法。
　?、萏岢隽艘环N以單自由度關(guān)節(jié)連動式仿人手指為基礎(chǔ)的條件自適應(yīng)手指設(shè)計

7、方案。首先仿照人手指從伸直到握拳過程中三關(guān)節(jié)的相對位姿，綜合其單自由度機(jī)構(gòu)，再通過在原機(jī)構(gòu)中增加一個條件自由度來提高和完善其自適應(yīng)功能。對欠驅(qū)動3自由度手指機(jī)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計、關(guān)節(jié)可變約束的結(jié)構(gòu)方案及獲得條件自由度的方法進(jìn)行了較深入的探討。建立了欠驅(qū)動手指具有可變力(力矩)約束的準(zhǔn)靜力學(xué)模型；提出了按連動手指優(yōu)化的參數(shù)，選定三個指節(jié)的尺寸，并以傳動角最佳及握緊的中間狀態(tài)為基本構(gòu)型，以三個接觸力相等為優(yōu)化目標(biāo)的綜合方法。建立了優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，確

8、定了優(yōu)化參數(shù)，采用粒子群法進(jìn)行優(yōu)化，得到了多組可供優(yōu)選的可行解。通過對虛擬樣機(jī)仿真實驗，論證了手指機(jī)構(gòu)較強(qiáng)的自適應(yīng)功能。
　?、拊诜治鲋劁摳郀t折疊式堵渣機(jī)功能結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，根據(jù)其自適應(yīng)結(jié)構(gòu)存在的主要問題，提出了采用兩組槽銷副加彈簧力封閉約束的可變自適應(yīng)結(jié)構(gòu)來代替原有的重錘—滾子—擺桿式力封閉高副結(jié)構(gòu)，有效的提高了工作的穩(wěn)定性和可靠性，完善了自適應(yīng)功能。通過虛擬樣機(jī)仿真試驗結(jié)果表明本文設(shè)計方法是正確的、有效和可靠的。